IBM旗下的IBM Research設計了一種微流體實驗室單晶片(microfluidic lab-on-a-chip),能分離出尺寸微小到只有20奈米(nm)的物質粒子;如果研發成功,這種晶片甚至能在惡性腫瘤開始生長之前就偵測出癌症徵兆。IBM正與美國西奈山伊坎(The Mount Sinai Ichan School of Medicine)醫學院合作進行這項研究。

IBM奈米生物科技(Nanobiotechnology)實驗室科學家暨IBM旗下Thomas J Watson 研究中心的晶片製造專家Josh Smith (下方視訊)表示:「這個概念是利用流體樣本──如血液或尿液──進行診斷,以非常非常高的精細度分離出樣本內的物質成份;很多研究的分離程度是在細胞層級,但我們的分離精細度可再高出二至三個層級(100~1,000倍),突破極限達到真正的奈米等級,可分離出例如胞外體(exosome)、DNA、蛋白質(protein)等等有趣的物質。」

那些次細胞(sub-cellular)等級的超微小成份是在細胞癌變之前成形,因此有潛力能讓醫療人員在惡性腫瘤出現之前就診斷出癌症徵兆;目前IBM能分離出微小至20奈米的物質,而一般人類細胞的尺寸是10微米(micron),因此能預先警示癌症。在過去,醫療人員得等到癌症細胞開始變異為腫瘤,才能透過目前的實驗室設備偵測到。

而IBM的實驗室單晶片不只能支援癌症早期偵測,根據合作進行研究的西奈山醫院醫療專家表示,該單晶片也比目前的醫療檢驗方法快速許多,能讓定點醫療照護(point-of-care)檢測設備變得可攜帶、更容易使用,而且所需的流體樣本量更少,不需要抽一整管血液、只需要幾滴。IBM的目標是為目前的流體分離器添加所有必要的電子元件,好讓那些醫療設備能執行完整的實驗室等級分析,而且精細度可達到奈米等級。

IBM表示,其高精細度生物解析成果來自於創新的確定性側向位移(deterministic lateral displacement,DLD)方法,並非強迫物質通過不同尺寸的篩孔(sieve)──這會因為走走停停的過程減緩物質的流動──而是建立一個以不同間距柱狀物組成的區域(類似彈珠檯遊戲),讓流體通過時速度不會減緩。

尺寸較小的物質在通過柱狀物陣列時會直接受重力吸引,而尺寸越來越大的物質會自然流向兩側,直到它們吻合不對稱排列、間隙尺寸更大的柱狀物(如下方視訊)。目前其DLD奈米分級陣列的尺寸是2公分(cm)見方,能擷取從個別分子到整個細胞的不同尺寸物質。

未來IBM的目標是多元化可分離的物質粒子類型,改善其精確度並開始將之導入現實世界的應用;而西奈山醫學院將展開首次篩檢前列腺癌的試驗。像是尺寸約20~140奈米的胞外體──傳遞脂質的細胞外囊泡(vesicles)──以及蛋白質、細胞之間的RNA cargo等等從血液、唾液或尿液提取出的物質,都能被用來做為診斷、預測癌症的生物標記;透過檢驗其尺寸、表面蛋白質以及核酸承載物(nucleic acid cargo),就能判斷細胞的健康程度。

編譯:Judith Cheng

(參考原文: IBM Lab on Chip Detects Cancer,by R. Colin Johnson)